膨胀土工程特性、渠坡破坏机理及防治对策 - 图文

的软化和膨胀，其原因在于土工膜或混凝土像一个“盖子”阻碍了毛管水的蒸发（F.Hualilon,1976; K.R.Datye,1988）。以色列的Kashiv还专门在渠底埋设仪器，揭示渠道开裂与膨胀土含水量升高有关。通过这些研究，国外膨胀土渠道处理时已不再采用土工膜直接铺设在膨胀土进行防渗处理。

南非Zukerbosch渠道长20km，渠道挖深4m左右，1983年竣工后一直运行良好，它在膨胀土地区采用了不同的处理方法（C.F.Watermeyer,1984）：（1）在膨胀土区，采用1.5m非膨胀土换填，压实度0.98控制，坡顶10—15m范围也换填1m厚的土。同时，两侧坡顶设置排水沟，一侧坡顶设置拦洪堤，其底宽约13m（兼起覆盖保护作用）；（2）在裂隙中大量充填具有强膨胀性粘土的页岩分布区，坡面和坡顶采用0.6m非膨胀土覆盖保护；（3）对于一些挖深较大的地段，根据Williams的计算，塑性指数在24—30时，渠道封闭后可产生95mm的隆起变形，为此在渠道预开挖后（保留层厚0.7m），浸水40天，坡顶地面下0.25m处铺设土工防渗材料，地面植草皮，严格限制林木生长，以防根系对土工膜和衬砌的破坏。

从国外膨胀土渠道处理技术研究情况看，由于渠道挖深较小，采用改性土或非膨胀土换填处理+防渗处理后，一般都取得了满意效果。但南水北调中线工程膨胀土渠道挖深大，除了膨胀作用，卸荷作用也会影响膨胀土物理力学性能和结构特性，随着坡高增大，滑坡机制也会改变。因此，南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题的复杂程度是没有先例的。

2.膨胀土渠坡稳定措施的要点

首先从引起渠坡失稳的因素看，内因是土体具有膨胀性和可能构

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成滑移面的结构面，外因是水的参与和渠道开挖卸荷引起的应力调整。因此膨胀土渠坡的稳定治理措施应能实现：消除膨胀土的胀缩环境、防治结构面性状恶化和贯通。为此第一，要使膨胀土处于一个相对封闭的环境，尽量减少土体与外界的水分交换，降低膨胀土含水量的变化幅度。目前，采用改性土进行坡面和渠底换填可以很好地起到这一作用，坡肩在渠道开挖后处于拉张区，防渗措施应进一步强化。坡面防护后，可以有效防止膨胀性滑坡、减少结构面控制型滑坡的发生；第二，在结构面较发育的地质条件下，需要有抗滑措施防止因卸荷、雨水入渗等外部因素引起的渠坡稳定性恶化趋势，包括采用抗滑桩、柔性挡墙、矮脚墙支护等。

3.坡面保护—形成与外部环境相对隔绝的封闭环境

目前国内外均采用换填非膨胀土或改性土在做法进行坡面保护，换填层具有两个作用：一是起防渗作用，换填层渗透性应达到10-6cm/s量级，在此情况下不需要再铺设土工膜进行防渗。工程实践证明，粘性土换填层是最好的防渗材料，其长期防渗效果远优于土工膜，而且也不会引起毛管水在膨胀土内集中。在一级马道以上，若没有明显的地下水，换填层可以直接在膨胀土开挖面上填筑。若地下水较富集，则要设置排水设施后再填筑保护层，坡面再铺设混凝土六方格或植草等进行保护。一级马道以下过水断面渠坡在填筑保护层后，不应再设置砂垫层、土工膜，混凝土衬砌板应直接在保护层上浇筑。因为一旦布设了砂垫层和土工膜，在渠道退水过程中，容易引发扬压力问题，

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而且这一附加设施对保护渠坡稳定没有益处。国外膨胀土渠道过水断面均采用直接浇筑在换填层上的做法，没有出现安全问题；二是对坡内膨胀土变形起一个缓冲和均化的作用。从理论上讲，换填层厚度达到0.6—1.0m就够了，国外工程也大多采用这一厚度。但考虑到中线工程渠道挖深较大，且大规模施工时的质量难以完全保证，因此根据土体膨胀性采用1—2m比较合适。

4.坡顶防渗—防止雨水和地表水进入坡体内部

渠道坡顶的防渗对保持渠坡稳定性有着特别重要的意义。在坡面进行换填处理后，坡顶就成了唯一可以让雨水入渗的部位，而且坡顶由于处于拉应力分布区，裂隙透水性相对较大，因此坡顶防渗应适当强化。国外一般采用0.7—1.0m厚的换填土或用土工膜进行处理，防渗宽度一般取7—13m。中线工程挖深较大，拉应力区范围更大，防渗宽度不应小于10m，最好坡顶13m全部处理。此外，在坡面换填层后缘边界部位容易出现差异沉降缝，并成为雨水入渗通道。因此坡顶防渗最好采用土工膜。若采用换填处理方法，则在坡肩部位应加大厚度。

渠道周边存在水塘时，对渠坡稳定极为不利。对重要性不大的水塘，最好予以填平；对于无法填平的堰塘，应在堰塘和渠道之间进行防渗处理，处理深度7m左右。

坡顶截水沟应严格进行防渗处理，且在雨季时能畅排不积水。否则，不但不能排走地表水，还会对地下形成稳定的补给源。

对于泥灰岩分布区，应采取其它处理方法（以排为主）。

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5.工程抗滑—防止软弱面贯通或进一步软化

在进行坡面保护和坡顶防渗处理后，一般情况下可以保证渠坡稳定。但在以下情况时，还应进一步采取抗滑措施：

（1） 渠道挖深较大，且土体中长大结构面较发育； （2） 地下水较丰富，或坡顶仍然存在雨水入渗的可能。 在我们掌握的资料中，还没有见到国外膨胀土渠道采用工程抗滑处理的案例。对于如何布置抗滑桩、选用什么桩型、何时实施等，国内尚无成熟的经验。但根据结构面控制型滑坡的特点，我们知道，膨胀土滑坡一般规模不大、滑动力较小，单级坡内滑坡为主，少数贯通马道上下两级坡。而且，渠道开挖引起的卸荷反应基本没有滞后。因此，为了尽量减少土体强度损伤，并减少与施工的干扰，建议采用预制桩型、主动抗滑；同时根据滑坡特点和滑动力分析，一般不需要采用现浇的大型抗滑桩。

若渠坡存在特定的大型软弱结构面，则建议采用阻滑键的形式进行抗滑处理，或采用埋入式抗滑桩进行处理。

从膨胀土滑坡形态、破坏机制、力学特点看，膨胀土滑坡不同于经常见到的土质古（老）滑坡，其滑体相对完整且具有较高的强度，抗滑桩设计时不需要按旋臂梁模式考虑，建议按结构面控制的岩质滑坡模式考虑。

6.坡脚防护—应力集中区和易软化区加固

对于深挖方渠道，坡脚往往有较大的压剪应力，此时适当加大齿

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